Identificação do Problema

O desenvolvimento e a produção em escala dos dispositivos semicondutores permitiram seu uso em diversas aplicações residenciais e industriais. Em aplicações residenciais, os semicondutores compõem cargas como computadores, aparelhos de ar condicionado, lâmpadas fluorescentes, entre outras, atuando como retificadores e fontes chaveadas. Essas cargas, denominadas não-lineares, são cargas cujas correntes elétricas apresentam descontinuidades em função de apresentarem em sua composição dispositivos semicondutores.

Na indústria, de forma análoga, os dispositivos semicondutores são utilizados em drives para acionamento de motores, retificadores, inversores, gerando igualmente componentes harmônicos e, consequentemente, deformando as formas de onda da tensão e correntes do sistema elétrico. Entre os grandes geradores de harmônicos estão os retificadores com filtro capacitivo, conversores de potência, reatores controlados a tiristores, fornos a arco, lâmpadas fluorescentes, etc.

A presença de componentes harmônicos deforma as ondas que seriam idealmente senoidais e causam danos a equipamentos em função de maior aquecimento nos enrolamentos amortecedores em máquinas síncronas e torques pulsantes em máquinas assíncronas, por exemplo. Ainda causam aumento das perdas no ferro em transformadores causados pelos harmônicos presentes na tensão, aumento das perdas no cobre em transformadores causadas pelos harmônicos de corrente e risco de saturação de transformadores na presença de harmônicos pares. São também consequências da presença de harmônicos, maiores perdas ôhmicas em cabos, perda de vida útil em capacitores em função do aquecimento provocado pelas correntes de alta frequência, entre outros (SANKARAN, 2002).

Em regime permanente, os problemas mais comuns são desequilíbrio de tensão, em função de cargas monofásicas em circuitos trifásicos, offset CC, em função de assimetrias em conversores eletrônicos de potência, harmônicos, cujas causas já foram relatadas. Também são problemas comuns os inter harmônicos, causados principalmente por conversores estáticos de frequência, ciclo conversores, e notching (micro cortes na tensão), um distúrbio de tensão periódico causado pela operação normal de equipamentos eletrônicos de potência quando a corrente elétrica é comutada de uma fase para outra. Adicionalmente, ruídos de alta frequência,

noise, que é um sinal elétrico indesejado sobreposto às tensões e correntes nos condutores fase

do sistema elétrico, são causados por dispositivos eletrônicos de potência, circuitos de controle, cargas com retificadores de estado sólido e fontes de tensão chaveadas.

Com exceção do desequilíbrio de tensão, os demais problemas acima citados deformam as ondas de tensão e corrente elétricas, idealmente senoidais. Idealmente pois, na prática, as tensões geradas no próprio ponto de geração ou nas origens do sistema elétrico de potência já apresentam pequena distorção harmônica em função de falta de uniformidade na excitação do campo magnético e da distribuição espacial discreta das bobinas ao redor do estator do gerador. De qualquer forma, todos esses problemas colaboram para a redução da qualidade da energia elétrica presente no sistema elétrico de potência.

O desenvolvimento tecnológico e o crescimento natural das cargas elétricas, residenciais e industriais, tem percorrido caminhos concorrentes, uma vez que a demanda por maiores potências cresce exponencialmente enquanto que o desenvolvimento e aprimoramento das tecnologias existentes caminham a passos mais curtos ou bem mais lentamente. Com o aumento crescente da demanda é natural que se faça opção por sistemas elétricos com maiores níveis de tensão de operação, buscando melhor custo benefício, ou seja, menores perdas elétricas e menores custos de investimentos na transmissão e distribuição da energia elétrica. Problema semelhante ocorre nas indústrias quando se precisa aumentar a escala de produção e, consequentemente, aumentar a demanda pontual de equipamentos elétricos como motores, por exemplo, optando-se novamente pela elevação dos níveis de tensão operacionais. Antes de se chegar a este cenário, os conversores de potência tradicionais utilizados como retificadores ou inversores para o acionamento de motores, por exemplo, desempenharam sua função com sucesso.

Como já comentado, o desenvolvimento tecnológico ocorre numa velocidade menor e o crescimento em potência dos conversores elétricos esbarrou nas limitações físicas, capacidades de tensão reversa e condução de corrente elétrica, dos dispositivos semicondutores de potência tais como os GTO’s, IGBT’s, etc. Atualmente, os dispositivos semicondutores de banda larga são uma promessa em termos de tensões e correntes elevadas.

O Gráfico 1 apresenta os valores nominais de tensão e corrente para alguns dispositivos disponíveis comercialmente para aplicações de alta potência dos fabricantes ABB, Eupec, Fuji,

Mitsubishi, Toshiba e Westcode, considerando dados do ano de 2006 (WU, 2006). Para os

SCR’s os valores nominais atingem 12 kV/1,5 kA ou 4,8 kV/5 kA, para os IGBT’s 6,5 kV/0,6

kA ou 1,7 kV/3,6 kA. Os GTO/GCT’s estão disponíveis para 6,5 kV/1,5 kA ou 6kV/6kA.

Gráfico 1 – Valores nominais de tensão e corrente de alguns dispositivos disponíveis comercialmente em 2006

Fonte: WU (2006) – Dados adaptados pelo autor.

O Gráfico 2 apresenta curvas com os dispositivos semicondutores disponíveis em função da tensão e corrente nominal dos fabricantes ABB, Dynex, Fuji, Infineon, Ixys UK Westcode e Mitsubishi, considerando o ano de 2016. Foram selecionados fabricantes que disponibilizam ao mercado dispositivos de alta potência. As curvas apresentam os dispositivos com maior valor nominal de corrente para cada valor nominal de tensão disponível pelos fabricantes selecionados para a pesquisa.

12; 1,5 7,5; 1,65 6,5; 4,2 4,8; 5 6,5; 0,6 4,5; 0,9 3,3; 1,2 2,5; 1,8 1,7; 2,4 1,7; 3,6 6,5; 1,5 6; 3 6; 6 0 1 2 3 4 5 6 7 0 2 4 6 8 10 12 14 I (kA) V (kV) SCR IGBT GTO/GCT

Gráfico 2 – Valores nominais de tensão e corrente de alguns dispositivos disponíveis comercialmente em 2016

Fonte: ABB (2015), Dynex Semiconductors (2016a, b, c), Fuji Electric (2016), Infineon (2015), Ixys UK Westcode (2015), Mitsubishi Electric (2016).

Os Gráficos 1 e 2 permitem acompanhar de forma aproximada a evolução dos dispositivos semicondutores de potência nos últimos dez anos. Pode-se perceber que o avanço foi mínimo ou não ocorreu. Os IGBT’s, por exemplo, não apresentaram nenhum avanço, pois a corrente e tensão máximas continuam as mesmas, ou seja, 3600 A e 6500 V. O SCR teve aumento na capacidade de corrente elétrica, de 5 kA para 14,5 kA, mas teve sua tensão máxima reduzida de 12 kV para 9,5 kV. O GTO, GCT e IGCT não apresentaram avanços. Observou-se ainda que o GTO da Mitsubishi, com valores nominais de 6 kV/6 kA, teve sua produção interrompida e, portanto, não apresentado no Gráfico 2.

Em função dos avanços discretos na capacidade de potência dos dispositivos semicondutores nos últimos 10 anos, conclui-se que, além da dificuldade natural do desenvolvimento das tecnologias citadas devido às limitações físicas no uso do Silício, pode ter ocorrido uma acomodação na pesquisa por novas soluções. Acomodação essa em função de uma demanda não tão acentuada pelos referidos dispositivos assim como pelo fato do surgimento a partir do ano 2002 dos conversores multiníveis. Nessa mesma época os dispositivos semicondutores de banda larga começaram a ser comercializados.

1,2; 2,4 1,7; 2,4 1,7; 3,6 2,5; 1,2 3,3; 1,5 4,5; 1,2 6,5; 0,75 1,3; 0,7 2,5; 4 4,5; 1,6 4,5; 4 4,5; 5 5,5; 3,6 6,5; 3,8 6,5; 1,5 1,4; 3,71 1,8; 6,1 2,2; 6,43 2,8; 7,61 4,2; 6,65 5,2; 5,89 6,5; 4,66 8,5; 3,98 9,5; 0,57 1,6; 14 1,8; 14,5 2,2; 12 2,6; 11 3,6; 5,5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I (kA) V (kV) IGBT (125°C) Módulos GTO Presspacks

ABB IGCT (Assim.) Presspacks Mitsubishi GCT Presspacks Thyristor PCT Presspacks

Contudo, a necessidade por novas soluções fez pesquisadores criarem novas topologias de conversores capazes de operar em níveis maiores de tensão elétrica, utilizando os mesmos dispositivos semicondutores disponíveis, dando origem aos chamados conversores multiníveis.

A velocidade do desenvolvimento dos conversores multiníveis de potência pode ser acompanhada pela cronologia dos fatos, considerando os conversores mais conhecidos e difundidos: 1975, Baker e Bannister (apud ENCARNAÇÃO, 2009) registram a patente do primeiro conversor, de fato, multinível; 1981, Nabae, Takahashi e Akagi (1981) propõem a terminologia multinível e o conversor grampeado a diodo de três níveis, o conversor Neutral

Point Clamped - NPC; 1992, Meynard e Foch (1992a,b) propõem o conversor grampeado a

capacitor, Flying Capacitor - FC, cuja modelagem é proposta posteriormente (MEYNARD; FADEL; AOUDA, 1997); 1995, Peng et al. (1995, 1996) apresentam o conversor em cascata nas configurações estrela (Single-Star Bridge-Cell - SSBC) e delta (Single-Delta Bridge-Cell -

SDBC) utilizando ponte H; 2002, Marquardt (apud GAO et al., 2011) registra a patente do

conversor MMC. Desde então, o conversor MMC tem sido objeto de estudo pela comunidade científica.

À medida que as topologias de conversores foram surgindo, novos estudos e novas contribuições foram publicadas. Especificamente sobre as topologias da família Modular

Multilevel Cascaded Converter - MMCC, as contribuições ocorrem em áreas relevantes como

a modelagem matemática dos conversores (LUNA; JACOBINA; OLIVEIRA, 2013; WANG; BURGOS; BOROVEVICH, 2013; PEREZ et al., 2015), a avaliação e análise de sua aplicação exercendo diferentes funções no sistema elétrico de potência (HAGIWARA; MAEDA, AKAGI, 2010, HAGIWARA; NISHIMURA; AKAGI, 2010; PEREZ; LIZANA; RODRIGUEZ, 2012; SHE; HUANG, 2012; DU; LIU, 2013), a análise de técnicas de modulação existentes (LI et al., 2015; OTA et al., 2015) e apresentação de novas técnicas de modulação para o conversor (ILVES et al.,2011; TU; XU, Z.; XU, L.,2011; FAN et al.,2015).

Outras contribuições, tão importantes quanto àquelas já citadas, são a apresentação de novas técnicas para controle de tensão nos capacitores (AKAGI; INOUE; YOSHII, 2007; HAGIWARA; AKAGI, 2008; HAGIWARA; MAEDA; AKAGI, 2010a,, 2011a; LIZANA; PEREZ; RODRIGUEZ, 2012; LIZANA et al., 2012; DU; LIU, 2013; LUNA; JACOBINA; OLIVEIRA, 2013; DENG; CHEN, 2014, 2015a; DU; LIU, J.; LIU, T., 2015; FAN et al., 2015; FUJITA; HAGIWARA; AKAGI, 2015), a análise e controle da corrente circulante do conversor

[TU; XU, Z.; XU, L., 2011; YANG et al., 2011; ILVES et al., 2012; SHE et al., 2012; SHE; HUANG, 2012; LI; WANG, 2013) e até a criação ou derivação de novas topologias a partir das existentes: Midle-Cell MMC (WANG et al., 2013), Extended MMC (MOHAMMADI; BINA, 2011), Hexagonal MMC (BARUSCHKA; MERTENS, 2011), Modified FC MMC (DARGAHI et al., 2015) e 3LFC-MMC (DEKKA et al., 2016).

O próximo capítulo apresenta algumas topologias de conversores multiníveis assim como técnicas de modulação usualmente utilizadas.